Общие сведения об эффективном излучении

Общие сведения об эффективном излучении

 

Все физические тела, являются источниками электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение тела может быть использовано для передачи энергии от одних тел другим. Земная поверхность, тоже является не исключением,  излучает в окружающее пространство электромагнитные волны. Часть энергии, излучаемой землей, проходит через всю толщину атмосферы и уходит в космическое пространство. Часть энергии отражается от атмосферы и возвращается. Эффективное излучение представляет собой разницу между собственным излучением земной поверхности и поглощаемой земной поверхностью частью противоизлучения атмосферы. [1]

Ночью, когда приток электромагнитного излучения от Солнца отсутствует,  земная поверхность излучает энергии больше, чем принимает обратно от окружающей атмосферы. Это явление можно использовать для отвода теплоты различных систем, т.е. создать холодильную систему, охлаждение в которой создается за счет эффективного излучения.

Атмосфера, в свою очередь, также излучает тепло частично в космическое пространство и частично в направлении к земной поверхности. Часть атмосферного излучения, приходящего к земной поверхности называют встречным излучением.

В ночное время излучение Земли, или собственное излучение земной поверхности, играет весьма существенную роль в климате прилегающего к поверхности слоя воздуха. Это излучение имеет максимальное значение в ясные безветренные ночи. Излучение, исходящее от Земли, проходя через атмосферу, в основном поглощается или отражается (экранируется)  в связи с содержанием  переменных компонентов (особенно СО2). Излучение в ночное небо, и поток его тем больше, чем суше воздух, т.е. чем меньше в нем водяных паров. [2]

Эффективное излучение, вместе с потерями тепла на испарение, обусловливает так называемое ночное выхолаживание земли. Ночью солнечная радиация отсутствует, теплообмен в течение ночи в основном зависит от собственного теплового излучения Земли. В ночное время теплообмен у поверхности земли меняет свой характер и ведет к понижению температуры поверхности земли ниже температуры воздуха. Одним из следствий ночного охлаждения земли и прилегающего к поверхности слоя воздуха является конденсация паров в форме росы летом и инея зимой. Особенно сильно охлаждаются те поверхности земли, которые имеют низкую теплопроводность.

Таким образом,  эффективное излучение земной поверхности Еэф – это разность между собственным излучением земной поверхности и той энергией, которую поверхность земли получает обратно от противоизлучения атмосферы, т. е. чем больше противоизлучение, тем меньше эффективное излучение.  С позиции расчетов это разность между восходящими Ез и нисходящими потоками теплового излучения Еа на уровне земной поверхности:

 

Еэф=Ез-Еа

 

Эффективное излучение в зависимости от метеорологических условий региона можно использовать для охлаждения и применять как дополнительную холодильную систему к основной машине.

В туманные и ветреные дни невозможно добиться уменьшения влажности воздуха, поэтому не получится охладить помещение за счет эффективного излучения. Следовательно, целесообразно, проектировать систему охлаждения с использованием эффективного излучения, которая имела бы простую конструкцию и применялась как дополнительная установка к основной холодильной машине.

В настоящее время для расчета эффективного излучения применяются формулы:

1. Формула Бинг Чена: [3]

 

,

 

где:   – излучательная способность безоблачного ночного неба.

2. Формула Луцука: [4]

 

.

 

3. Формула Паркера: [5]

 

 

 

где:   – температура неба, °К;

 – коэффициент, учитывающий влияние облачности;

– излучательная способность безоблачного неба.

4. Формула Брента: [1]

 

,

 

5. Формула Ефимовой: [1]

 

.

 

Для расчета радиаторов с инфракрасным спектром излучения используются все вышеуказанные формулы, приведенные к виду формулы  Брента. [1]

 

 

где: Eэф – эффективное излучение, Вт/м2;

δ – относительная излучательная способность поверхности установки;

σ – постоянная Стефана-Больцмана, σ = 5,67·10-8 Вт/(м2·град4);

kст – поправка на разницу между температурой излучающей поверхности и температурой воздуха, Вт/м2;

tв – температура воздуха на высоте 2 м над уровнем земной поверхности, °C;

kвп – коэффициент, учитывающий влияние содержания водяного пара в воздухе приземного слоя атмосферы;

kоб – коэффициент, учитывающий влияние общей облачности.

Следующие графики иллюстрируют зависимость эффективного излучения от температуры воздуха для различной величины относительной влажности воздуха, рассчитанной по формулам Бинг Чена и Брента. В расчетах было принято, что температура излучающей поверхности равна температуре окружающего воздуха, степень облачности равна нулю, относительная излучательная способность равна единице.

Также для расчетов применяется формула

 

 

 

Где: T1 – температура поверхности радиатора;  Tн – эффективная температура неба.

 

 

Рис. 1. Величина эффективного излучения, рассчитанная по формуле Бинг Чена

 

Рис. 2. Величина эффективного излучения, рассчитанная по формуле Брента

 

Поправка на разницу между температурой излучающей поверхности и температурой воздуха имеет следующий вид:

 

,

или,

 

где: Тип – температура поверхности тела, °К;

Тв – температура воздуха на высоте 2 м, °К.

t0 – температура излучающей поверхности, °C.

 

Коэффициент, учитывающий влияние общей облачности

 

 

где: c – коэффициент показывающий, как изменяется влияние облачности на величину эффективного излучения в зависимости от географической широты местности, для которой проводятся расчеты. Его можно определить по табллице 1;

n – общая степень облачности в долях от единицы, 0 ≤ n ≤ 1.

Таблица 1. Коэффициент c в зависимости от географической широты

Широта, град	c	Широта, град	c	Широта, град	c	Широта, град	c
0	0,50	20	0,59	40	0,68	60	0,76
5	0,52	25	0,61	45	0,70	65	0,78
10	0,55	30	0,63	50	0,72	70	0,80
15	0,57	35	0,65	55	0,74	75	0,82

 

Коэффициент, учитывающий влияние содержания водяного пара в воздухе приземного слоя атмосферы

 

 

 

Для вычисления величины охлаждающего эффекта за ночь с 1 м2 излучающей поверхности достаточно рассчитать величину эффективного излучения по средним значениям , , , и полученное значение умножить на продолжительность работы системы в течение ночи.

 

,

 

где: Q – охлаждающий эффект за ночь, кДж/м2;

ηс – общий КПД системы охлаждения. Для различных конструкций систем охлаждения он находится в диапазоне от 0,40 до 0,75;

τ – продолжительность ночи, часов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Кондратьев К.Я. Актинометрия. – Ленинград: Гидрометеорологическое издательство, 1965. – 693 с.

2    А. П. Цой, . В. Бараненко, А. Я. Эглит Использование эффективного излучения в холодильной системе открытого ледового катка

3 Bing Chen. Determination of the clear sky emissivity for use in cool storage roof. Omaha: University of Nebraska, 1991.

4 Mike Licuik. Night Radiative Cooling / The William Miller Sperry Observatory, – Cranford, 2005.

5 Parker D.S. Theoretical evaluation of the nightcool nocturnal radiation cooling concept / Solar Energy Center, – Florida, April 2005.